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壳聚糖的生物活性及其在水产动物中的研究进展

发布日期:2016/3/23 10:58:42

甲壳素溶解性较差,化学性质也不活泼,不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂,仅能溶于无机浓酸等一些非常规溶剂。甲壳素经过脱乙酞基后,得到的壳聚糖呈白色至淡黄色,虽然仍不溶于水、碱溶液和有机溶剂中,但可溶于稀酸溶液,包括无机稀酸(盐酸、硝酸等)和有机稀酸(醋酸、乳酸、甲酸、抗坏血酸、苹果酸等)。
 
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后得到的一种带正电荷的高分子碱性多糖。甲壳素广泛存在于低等动物尤其是节肢动物(如虾、蟹和昆虫) 外壳中,也存在于真菌和藻类细胞壁中。全世界每年蟹、虾和龙虾等水产品加工后的甲壳废弃物有100 多万t,其中含有10%~30% 甲壳素。甲壳素溶解性较差,化学性质也不活泼,不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂,仅能溶于无机浓酸等一些非常规溶剂。甲壳素经过脱乙酞基后,得到的壳聚糖呈白色至淡黄色,虽然仍不溶于水、碱溶液和有机溶剂中,但可溶于稀酸溶液,包括无机稀酸(盐酸、硝酸等)和有机稀酸(醋酸、乳酸、甲酸、抗坏血酸、苹果酸等)。在柠檬酸、酒石酸等多价有机酸的水溶液中,壳聚糖只有在加热至高温时才能溶解,而当温度下降后呈凝胶状。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

1 壳聚糖的制备VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

壳聚糖来源丰富,提取工艺也较为简单,成本低廉。其方法是用乳酸菌发酵新鲜虾壳,用发酵过程产生的乳酸脱去虾壳中的矿物质和蛋白质等,发酵产物经过固液分离即得到甲壳素。此法用葡萄糖作为发酵的限制性底物,当大规模生产甲壳素时,还可以用蔗糖代替葡萄糖,同时也降低了生产成本。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

2 壳聚糖的生物活性VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

2.1 对生产性能的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

徐介民(2008)在重约50g草鱼的基础日粮中添加壳聚糖(0.25%、0.50%、1.00%),研究其对草鱼生长性能的影响。结果表明,壳聚糖能促进草鱼生长,与基础日粮组相比,0.25%、0.50% 和1.00% 壳聚糖组草鱼的增重率分别增加56.6%、72.8%和65.5%。草鱼饲料中添加不同浓度的壳聚糖也能影响草鱼的投饵系数,与基础日粮组相比,0.25%和0.50%壳聚糖组其投饵系数均下降8.4%,1.00%壳聚糖组其投饵系数显著高于其他各组。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

昆虫体壳甲壳素的含量最高,体壁灰分含量少,较虾、蟹壳易于提取甲壳素及减少甲壳素分子链酸降解,相对容易生产。翟少伟(2009)研究了昆虫源壳聚糖在鲫鱼饲料中适宜的添加水平。研究结果表明,饲喂昆虫源壳聚糖5种不同添加水平(0、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%) 的饲料,不同程度提高了鲫鱼的相对增重率,显著降低了饵料系数(P<0.05),其中以0.50%壳聚糖添加水平组的生长性能最好;通过计算最佳相对增重率和饵料系数时的昆虫源壳聚糖添加水平以及结合试验结果,认为鲫鱼饲料中昆虫源壳聚糖的适宜添加水平为0.50%~0.60%。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

2.2 对脂肪消化代谢的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

肝体内脂质含量的多少直接影响到肝脏和生物机体的健康。壳聚糖能提高动物肝脏脂肪代谢的效率和肝脏的机体活力,降低肝脏的脂肪含量和肝病发生。刘兴国(2004)研究了添加壳聚糖(0.25%、0.50%、1.00%和2.00%)对鱼脂肪消化代谢的影响。3个月后测定结果表明,对照组罗非鱼的肝体比明显高于试验组,0.50%低分子壳聚糖试验组罗非鱼的肝体比最小;试验组罗非鱼的肝脂含量均显著低于对照组,其中0.50%低分子壳聚糖组罗非鱼的肝脂含量比对照组下降28.24%,饲料系数比对照组下降24.10%。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

3 对免疫调节的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

3.1 对非特异性免疫的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

目前,关于壳聚糖促进免疫功能的确切机制如不清楚,相关的研究报道也较少。一般认为其免疫活性机理可能是:(1)壳聚糖是一类带有多种活性基团的聚合物,能作为免疫增强剂激活非特异性免疫系统;壳聚糖为阳性趋化剂,分子结构中的氨基可被机体免疫系统识别,可吸附从血管中游出的单核细胞,聚集在组织中形成巨噬细胞;(2)可直接刺激局部组织,促进细胞增生,演变为巨噬细胞并被活化,使其吞噬能力增强,直接杀伤胞内生物和变异细胞,提高其免疫力(刘金海,2010);(3)由于壳聚糖可吸附H+,从而带有大量的NH3+,使其亲和性增强,从而活化巨噬细胞,增强其吞噬能力;(4)壳聚糖可活化T淋巴细胞促使其释放各种淋巴因子。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

溶菌酶(LSZ)、超氧化物歧化酶(SOD)和酸性磷酸酶(AKP)活性是评价鱼类免疫力的常用指标。其中LSZ是由淋巴细胞分泌的碱性溶解酶,当机体受到病原攻击时,白细胞聚集在感染区,包围异物进行吞噬,此时吞噬细胞活性增强,导致吞噬细胞中含有的溶菌酶活性发生变化。SOD活性与机体免疫水平密切相关,对于增强巨噬细胞的防御功能和整个机体的免疫机能有重要作用。而AKP活性被认为是巨噬细胞的标志酶,其活力的高低反映了巨噬细胞的被激活程度。SOD是生物体内一种重要的抗氧化酶,可以清除机体内多余的自由基,从而免除自由基对生物的危害(童春,2010)。王兰(2009)研究了低分子量壳聚糖(0.5、1.0、2.0、4.0 和8.0mg/L)对长江华溪蟹免疫功能的影响。结果显示,壳聚糖可提高华溪蟹与免疫力有关的LSZ、SOD、AKP、酸性磷酸酶(ACP) 和酚氧化酶(PO)活性,其作用和效果具有浓度及时间效应,壳聚糖在4和8mg/L 浓度下作用30d可显著提高华溪蟹的免疫力。这与童春(2010)的研究结果基本一致。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

常青(2006)探讨了壳聚糖对补体活性的影响。添加0.5%、1%和2%的壳聚糖饲喂花鲈(重约57g)60d,在30d 时添加0.5% 或1% 壳聚糖能有效提高花鲈的补体活性、LSZ活性和吞噬活性,在60d 时能明显提高补体活性;但添加壳聚糖对白细胞的数量没有影响。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

陈勇(2010)在饲料中添加壳聚糖,试验表明壳聚糖对异育银鲫白细胞总数也无显著影响,但是可显著提高异育银鲫外周血淋巴细胞数量、白细胞吞噬活性和脾脏溶菌酶活性(P<0.05),显著降低外周血多形核细胞数量(P<0.05)。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

3.2 对免疫器官的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

硬骨鱼类的脾在造血和免疫反应方面都起着重要的作用。脾是红细胞、中性白细胞和粒细胞生成、贮存与成熟的主要器官。其质量变化与机体免疫状况变化密切相关。刘金海(2010)认为,添加2%的壳聚糖对脾的影响不显著,原因可能是鱼类本身脾的质量太小其增重不明显。也有报道表明壳聚糖能提高鸡的法氏囊指数,但目前对壳聚糖运用于动物免疫器官的研究还是比较少。王红权(2010)在草鱼日粮中添加壳聚糖能显著增加草鱼的后肾体指数(P<0.05),对头肾体和脾体指数影响不显著,但与基础日粮组相比,各壳聚糖添加组草鱼的头肾体指数和脾体指数有增加趋势(P>0.05)。

3.3 抑菌作用及对动物肠道的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

肠道褶皱高度的增长增大了肠道对食物的接触面积,进而增强了对食物的消化吸收能力;肠道肌层厚度的增加使肠道的分节运动和摆动加强,促进肠道食物的消化和肠道的排空,从而提高肠道营养物质的消化吸收。赵玉蓉(2010)在平均体重(70.61±1.29)g的草鱼日粮中添加壳聚糖(0.25%、0.5%和1.0%),研究了不同浓度的壳聚糖对草鱼肠道形态的影响,试验期为40d。结果表明,壳聚糖能显著增加草鱼前肠、中肠黏膜褶皱高度,但对后肠黏膜褶皱高度影响不显著;壳聚糖显著增加草鱼前肠和中肠的固有膜和黏膜下层总厚度,但对后肠的固有膜和黏膜下层总厚度影响不显著;壳聚糖能显著增加草鱼中肠肌层厚度,但对前肠和后肠的肌层厚度影响不显著。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

3.4 对肉品质的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

壳聚糖能提高肌肉中蛋白质的含量,可能是降低了肌肉中脂肪的含量从而提高了蛋白质的含量。其原因是壳聚糖成分中的聚葡铵链带有4价铵离子,具有较高的阴离子交换性能而能黏合胆汁酸,阻止胆汁酸循环,降低脂肪吸收,从而相应地减少肝胰脏解毒的负荷,避免草鱼的肝胰脏出现补偿性增生,脂肪吸收量减少,使得肌肉脂肪含量也有一定程度的下降。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

王红权(2008)添加壳聚糖0.25%、0.50%和1.00%,草鱼的背肌粗蛋白质含量分别增加4.93%、8.77%和2.81%。同时,壳聚糖及其复合物也能对鱼肌肉脂酸和微量元素含量产生了有益的影响。陆清儿(2007)认为,壳聚糖复合物使三角鲂肌肉脂肪酸总量、不饱和脂肪酸总量和不饱和脂肪酸总量/脂肪酸总量明显提高;壳聚糖及其复合物使肌肉中铜含量极显著降低,锌和镁含量也极显著降低,提高了鱼肉品质。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

3.5 对消化酶的影响VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

稀土壳聚糖螯合盐中的壳聚糖进入生物体后经代谢降解为低聚糖类,增强了生物活性,有利于生物体内微生态系统的改善,对生物的酶系统可能有积极的影响。刘军(2008)在日粮中添加不同水平的稀土壳聚糖螯合盐,添加0.08% 可以极显著提高肠道淀粉酶和脂肪酶活力(P<0.01),显著提高肠道蛋白酶活力(P<0.05);当添加量为0.16% 时可以极显著增强肠道淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶活力(P<0.01);添加0.24% 时对肠道脂肪酶活力具有极显著促进作用(P<0.01),对肠道淀粉酶和蛋白酶活力具有显著促进作用(P<0.05);添加3 个水平的稀土壳聚糖螯合盐对肝胰脏消化酶活力均无显著作用。华雪铭(2005)也认为,0.2% 壳聚糖能使肠道淀粉酶活性显著增强。陈勇(2006)认为,添加0.5% 壳聚糖可以显著提高异育银鲫肠道的淀粉酶活性;添加0.75%和1%壳聚糖可以显著提高肠道和肝胰脏的蛋白酶活性和肠道的淀粉酶活性。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

4 其他作用VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

4.1 作为水的净化剂VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

壳聚糖分子因为有氨基存在,溶解在水中后能成为天然的阳离子絮凝剂,而一般的污物带有负电荷,因而壳聚糖可使带相反电荷的物质胶凝而沉淀,可有效地吸附溶液中带电荷的悬浮物和有机物等(张婷婷,2009)。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

4.2 作为饲料黏合剂VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

壳聚糖不溶于水,具有较强的黏结能力,而且也是虾、蟹等生长的养分。用稀土元素和低分子量壳聚糖配合成一种黏合剂,用于黏合虾饵料,试验证明这种黏合剂能在饵料表面形成一层保护膜,延长水化时间,保护饵料成分,防止霉变,不污染水质(徐介民,2008)。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

5 结语VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

近年来,抗生素类药物的使用虽在一定程度上控制了疾病的发生,提高了畜禽增重和饲料转化率,但畜产品中药物残留量不断增加,危害人类的健康。大批病原菌对一些抗生素已产生不同程度的抗药性,导致各种传染病短期内迅速暴发。壳聚糖是一种新型的具有生物活性的添加剂,能净化水质,改善养殖环境,而且可以增强养殖水产动物的抗病力,促进生长,降低饲料系数,改善水产品品质,增加经济效益,是极具有发展潜力的新型绿色水处理试剂。我国壳聚糖的原料丰富,在不远的将来必将能更广泛地应用于水产养殖业中。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧

但目前处于研究初期,试验仅限于饲养对比试验,无法从深层次解释现象。在今后的研究中,应重点集中在以下几方面:(1)目前市售的一些壳聚糖产品在纯度、组成以及生物效能等方面差距较大,不同市售产品的试验结果往往差距较大,需精确定量添加量。(2)壳聚糖的价格偏高,通过现代化学及生物技术提高壳聚糖的提取率。(3)深入到分子水平上研究壳聚糖提高生产性能的原因。(4)壳聚糖的溶解性较低,通过试验优化理化性质,提高其溶解性。(5)确定维生素、中草药的添加方式、添加时间及添加量。VBP中国饲料行业信息网-立足饲料,服务畜牧。

【甲壳素小知识】
甲壳素是一种含氮的多糖物,又称甲壳质、几丁质、壳蛋白、壳多糖、明角质等,是自然界第二大丰富的生物聚合物,分布十分广泛,是许多低等动物特别是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳的重要成分,虾壳约含15%~30%,蟹壳约含15%~20%。也是低等植物菌类细胞膜的组成部分,地衣,绿藻、酵母、水母及乌贼体内也含有。据估计每年的生物合成量超过10亿吨,是一种巨大的可再生资源。外观呈白色或微黄色透明体,是2-乙酰氨基葡萄糖多聚体,其化学结构与天然纤维素相似,分子中除存在羟基外,还含有乙酰氨基和氨基功能基团,可供结构修饰的基团多,具有比纤维素及其衍生物更加丰富的功能性质,不溶于水、乙醇、乙醚、盐类和稀酸、稀碱;能溶于醋酸,与浓烧碱溶液作用,形成玻璃状胶体的可溶性甲壳素(也称多聚胺基葡萄糖、甲壳胺、糖液甲壳素、壳聚糖等),它们可用于:①纯化水和从海水中提取铀的离子交换树脂;②凝胶色谱柱的填充物和分子筛;③制备能被生物或酶降解的食物包装膜或可溶性的体内手术线;④培植植物或微生物的保水剂;⑤纺织品的防缩、防皱处理,直接染料或硫化染料的固色。

甲壳素不溶于一般的酸碱,化学性质非常稳定,这是制约其长期得不到开发的重要原因。经脱乙酰基后的壳聚糖,呈白色至淡黄色的粉末,虽也不溶于水、碱溶液和有机溶剂中,但可溶于稀酸溶液中,包括无机稀酸 (盐酸、硝酸等) 和有机稀酸 (醋酸、乳酸、甲酸、抗坏血酸、苹果酸等) 中。在柠檬酸、酒石酸等多价有机酸的水溶液中,则是在加热高温时溶解,在温度下降后则呈凝胶状。

甲壳素是2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖经β (1→4)糖苷键连接的聚合物脱除乙酰基后的多糖化合物2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖的β (1→4) 聚合物,即壳聚糖。图2-7示出甲壳素、壳聚糖和纤维素的化学结构,这三者之间的结构相似。由于现存的技术尚不能将甲壳素完全脱去乙酰基变成100%的壳聚糖,也很难将两者完全分离开,故现有壳聚糖商品通常是甲壳素与壳聚糖的混合物,但要求壳聚糖含量在60%以上。不过作为功能性食品基料的壳聚糖要求壳聚糖含量在85%以上。

参考资料:
https://www.feedtrade.com.cn/technology/news/enzyme/2013-02-22/2009060_2.html
https://www.chemicalbook.com/ProductChemicalPropertiesCB9853096.htm

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